Кремнезём

Кремнезём — это обобщённое название диоксида кремния (SiO₂), одного из самых распространённых минеральных соединений в земной коре. В природе встречается в виде минералов (кварц, халцедон, опал, тридимит, кристобалит) и входит в состав многих горных пород (песок, песчаник, гранит, глина). Кремнезём представляет собой бесцветное или белое кристаллическое или аморфное вещество, обладающее высокой твёрдостью, химической стойкостью и диэлектрическими свойствами. Широко используется в промышленности, строительстве, электронике, медицине и производстве стекла.

История

Человечество использует кремнезём с древнейших времён. Кварцевые и кремнёвые орудия труда (ножи, скребки, наконечники стрел) изготавливались ещё в каменном веке. Древние египтяне, римляне и китайцы применяли кварцевый песок для производства стекла, а также в качестве абразива. В Средние века кремнезём стал основой для изготовления керамики и фарфора.

С развитием химии в XVIII—XIX веках началось систематическое изучение свойств диоксида кремния. В 1823 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус впервые выделил чистый кремний, а в 1824 году — описал его оксид. В XX веке были разработаны технологии синтеза аморфного кремнезёма (силикагеля, аэросила), что открыло новые области применения — от адсорбентов до наполнителей для резины и пластмасс.

Классификация

Кремнезём подразделяется на кристаллический и аморфный. Кристаллический кремнезём имеет упорядоченную решётку, аморфный — неупорядоченную.

Кристаллический кремнезём

Основные кристаллические модификации:

• Кварц — наиболее распространённая форма. Образует шестигранные призмы, обладает пьезоэлектрическими свойствами. Используется в часах, генераторах частоты, оптике.
• Тридимит — встречается в вулканических породах, устойчив при высоких температурах (870—1470 °C).
• Кристобалит — образуется при высокой температуре (выше 1470 °C), встречается в некоторых метаморфических породах.
• Коэсит и стишовит — высокобарические модификации, встречающиеся в метеоритных кратерах и мантийных породах.

Аморфный кремнезём

Аморфный кремнезём не имеет кристаллической решётки. К нему относятся:

• Опал — природный гидратированный аморфный кремнезём (SiO₂·nH₂O), драгоценный и поделочный камень.
• Силикагель — пористый синтетический аморфный кремнезём, используется как осушитель и адсорбент.
• Аэросил (пирогенный диоксид кремния) — высокодисперсный порошок, получаемый сжиганием тетрахлорида кремния. Применяется в качестве загустителя, наполнителя, носителя катализаторов.
• Кизельгур (диатомит) — осадочная порода, состоящая из панцирей диатомовых водорослей, содержащая аморфный кремнезём.

Физические и химические свойства

Кремнезём — твёрдое, тугоплавкое вещество. Температура плавления кварца — около 1713 °C (для аморфных форм — ниже). Плотность кристаллического кварца — 2,65 г/см³, аморфного — 2,2 г/см³. Кремнезём химически инертен по отношению к большинству кислот (кроме плавиковой) и щелочей при комнатной температуре. При нагревании со щелочами образует силикаты. Растворяется в плавиковой кислоте (HF) с образованием газообразного тетрафторида кремния (SiF₄) и воды.

Кремнезём обладает высоким электрическим сопротивлением (до 10¹⁵ Ом·см), что делает его отличным диэлектриком. Пропускает ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, используется в оптике.

Применение

Строительство и производство стекла

Кварцевый песок — основной компонент для производства оконного, тарного, оптического и лабораторного стекла. Кремнезём входит в состав цемента, бетона, керамической плитки, кирпича. Из расплавленного кварца изготавливают кварцевое стекло, устойчивое к высоким температурам и химическим воздействиям.

Электроника и оптика

Кварц используется в пьезоэлектрических резонаторах, которые задают тактовую частоту в часах, компьютерах, радиопередатчиках. Оптическое кварцевое стекло применяется в линзах, призмах, окнах для лазеров и спектрометров. Аморфный кремнезём (диоксид кремния) — ключевой материал в производстве полупроводниковых микросхем (изоляционные слои, подложки).

Адсорбенты и осушители

Силикагель широко используется для осушения воздуха, упаковки товаров (электроника, обувь, лекарства), а также в хроматографии. Кизельгур применяется как фильтрующий материал в пищевой и химической промышленности.

Резина, пластмассы, лакокрасочные материалы

Аэросил (пирогенный диоксид кремния) добавляют в резину для повышения прочности, износостойкости и сцепления с дорогой (в шинах). В пластмассах и лаках он служит загустителем и антислеживающим агентом.

Медицина и косметология

Аморфный кремнезём используется в зубных пастах как абразив, в косметике — как матирующий и абсорбирующий компонент. В фармацевтике — как вспомогательное вещество (носитель, стабилизатор). В биомедицине исследуются наночастицы кремнезёма для доставки лекарств.

Производство кремния

Кремнезём — основное сырьё для получения чистого кремния, используемого в солнечных батареях, полупроводниках, сплавах (ферросилиций). Восстановление кремнезёма углеродом в электродуговых печах даёт технический кремний.

Влияние на здоровье

Кристаллический кремнезём (кварц, тридимит, кристобалит) при вдыхании мелкодисперсной пыли вызывает силикоз — профессиональное заболевание лёгких, характеризующееся фиброзом. Силикоз является неизлечимым и может приводить к инвалидности и смерти. В связи с этим в горнодобывающей, строительной и керамической промышленности применяются строгие меры защиты: респираторы, вентиляция, влажная обработка. Аморфный кремнезём (силикагель, аэросил) считается менее опасным, но его пыль также может раздражать дыхательные пути.

Интересные факты

• Кварц — один из самых распространённых минералов на Земле, его содержание в земной коре достигает 12 %.
• В природе встречаются гигантские кристаллы кварца массой до нескольких тонн.
• Кварцевое стекло не трескается при резком перепаде температур (например, при заливании кипятка в холодную посуду).
• Кремнезём входит в состав некоторых организмов — диатомовых водорослей, радиолярий, губок, которые строят из него свои скелеты.
• В 2010-х годах были разработаны технологии получения наночастиц кремнезёма для биомедицины, в том числе для адресной доставки противораковых препаратов.

Источники

• Краткая химическая энциклопедия. Том 2. М.: Советская энциклопедия, 1963.
• Минералогическая энциклопедия. Под ред. К. Фрея. М.: Недра, 1985.
• Химия и технология кремнезёма. Под ред. В. И. Ерёменко. М.: Химия, 1980.
• Справочник по неорганической химии. Под ред. Г. Реми. М.: Мир, 1974.
• ГОСТ 22551-77. Песок кварцевый для стекольной промышленности. Технические условия.
• Данные Международной организации труда (ILO) по силикозу.